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WO1997047879A1 - Verfahren zum betreiben eines solarkraftwerkes mit wenigstens einem solaren dampferzeuger und solarkraftwerk - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines solarkraftwerkes mit wenigstens einem solaren dampferzeuger und solarkraftwerk Download PDF

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WO1997047879A1
WO1997047879A1 PCT/DE1997/001106 DE9701106W WO9747879A1 WO 1997047879 A1 WO1997047879 A1 WO 1997047879A1 DE 9701106 W DE9701106 W DE 9701106W WO 9747879 A1 WO9747879 A1 WO 9747879A1
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solar
steam generator
solar power
residual moisture
power plant
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Inventor
Wolfgang Köhler
Wolfgang Kastner
Reinhard Rippel
Hans-Jürgen CIRKEL
Hans-Christian TRÄNKENSCHUH
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
    • F22B35/16—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type responsive to the percentage of steam in the mixture of steam and water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a solar power plant with at least one solar steam generator and to a solar power plant.
  • the incident solar radiation is bundled and used as a heat source for energy conversion.
  • Examples of solar power plants are parabolic trough, tower and dish power plants.
  • the solar radiation is, for example, concentrated approximately at a point from several mirrors arranged on frames, the heliostats, onto a common receiver, for example in the tower of a tower power station or on its own in a dish power station. There it heats a heat transfer medium.
  • a common receiver for example in the tower of a tower power station or on its own in a dish power station.
  • Another possibility of using solar energy is to focus the solar radiation approximately linearly on an absorber tube by means of parabolic trough collectors, which serves as a receiver. If the heat transfer medium, for example water, is evaporated directly in the receiver, this is referred to as direct evaporation. In the case of direct evaporation, the receiver is also referred to as a solar steam generator.
  • the invention is based on the object of largely avoiding the risk of overheating in the solar steam generator and reducing the costs of a solar power plant.
  • the feed water supply for the solar steam generator as a function of the residual moisture (1-x) of the wet steam at an output of the solar steam generator is set such that a predetermined setpoint (lx) * for the residual moisture (1-x) at the output of the solar steam generator of wet steam is present.
  • the solar power plant contains at least one solar steam generator and a control circuit for regulating the residual moisture (l-x) of the wet steam at the outlet of the solar steam generator.
  • a predetermined setpoint value (l-x) * for the residual moisture (l-x) of the wet steam at the outlet of the steam generator is present at the input of the solar steam generator.
  • the existence of the residual moisture (l-x) of the wet steam at the outlet of the solar steam generator presupposes that wet steam, ie. H. in other words, a mixture of water and steam is present.
  • the residual moisture (I-x) of the wet steam is preferably continuously recorded and used as a control variable for the supply of the mass flow (M) of the feed water for the solar steam generator.
  • a regulation is a process in which in a
  • Control loop continuously records the variable to be controlled (the "controlled variable”, in this case the residual moisture (l-x) of the wet steam) with another variable, the "reference variable” (here: the
  • a device for continuously detecting the residual moisture (lx) of the wet steam is provided at the outlet of the solar steam generator.
  • the residual moisture (lx) of the wet steam at the outlet of the solar steam generator is recorded repeatedly, either continuously or continuously.
  • the controlled variable is recorded continuously and compared with the reference variable (lx) *.
  • the controlled variable is continuously and repeatedly recorded only at certain points in time, the sampling times, and compared with the reference variable (1- x) *.
  • a transmitter device is provided for the reference variable (lx) * of the residual moisture (lx) of the wet steam, which is to follow the controlled variable in a predetermined dependency.
  • a controllable feed water valve is preferably provided as an adjusting device for the mass flow (M) of the feed water for the solar steam generator.
  • a solar power plant 2 comprises at least one solar steam generator 4.
  • the solar power plant 2 is, for example, a parabolic trough, tower or dish power plant.
  • Feed water is fed into an inlet 8 of the solar steam generator 4 via a feed line 6.
  • the wet steam generated in the solar steam generator 4 is discharged, for example, to a turbine via a discharge line 10 from the outlet 12 of the solar steam generator 4.
  • a feed water valve 14 is arranged in the feed line 6 as an adjusting device for the mass flow (M) of the feed water supply for the solar steam generator 4.
  • M mass flow
  • the discharge line 10 there is a device 16 for continuously recording the residual moisture (lx) of the wet steam at the outlet 12 of the solar Steam generator 4 arranged.
  • the feed water valve 14, the solar steam generator 4 and the device 16 for continuously detecting the residual moisture (lx) represent the controlled system 60 of the control circuit 50 according to the invention.
  • a transmitter device 22 acts on a control device
  • An electrical signal line 18 leads from the control device 20 to the controllable feed water valve 14 in the feed line 6.
  • the control circuit 50 is closed by an electrical feedback line 25, which connects the device 16 to an actual value input of the control device 20.
  • the signal direction in the control circuit 50 is indicated by the arrows 26.
  • the feed water supply for the solar steam generator 4 is always set via the feed line 6 with the feed water valve 14 as a function of the residual moisture (lx) of the wet steam at the outlet 12 of the solar steam generator 4 so that the outlet 12 of the solar steam generator 4 Steam generator 4, the predetermined setpoint (lx) * for the residual moisture (lx) of the wet steam is present.
  • the residual moisture (l-x) of the wet steam is continuously recorded by means of the device 16 and used as a control variable for the mass flow (M) of the feed water supply for the solar steam generator 4.
  • the residual moisture (lx) as a control variable, where x indicates the steam content at the outlet 12 of the solar steam generator 4, can be continuously compared with the reference variable (lx) * become. If a sampling control is used, the residual moisture (lx) of the wet steam is continuously recorded only at certain times, the sampling times, and compared with the reference variable (lx) *.
  • a plurality of solar steam generators 4 can also be connected in series.
  • a separate control circuit 50 can then be used for each of the solar steam generators 4 connected in series. As a result, each steam generator 4 is individually regulated in the case of a large number of solar steam generators 4.
  • Each downstream solar steam generator 4 is fed the outlet mass flow of the upstream solar steam generator 4 and an individually regulated feed water flow, which is regulated in such a way that the setpoint (lx) * for the residual moisture (lx) of the wet steam is output at the steam generator 4 is available .

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Abstract

Bei diesem Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes (2) mit wenigstens einem solaren Dampferzeuger (4) zum Erzeugen von Nassdampf wird dei Speisewasserzufuhr für den solaren Dampferzeuger (4) in Abhängigkeit von der Restfeuchte (1-x) des Nassdampfes am Ausgang (12) des solaren Dampferzeugers (4) so eingestellt, dass am Ausgang (12) des solaren Dampferzeugers (4) ein vorgegebener Sollwert (1-x)* für die Restfeuchte (1-x) des Nassdampfes vorhanden ist. Durch diese Massnahme wird eine Überhitzung des solaren Dampferzeugers (4) weitgehend vermieden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes mit wenigstens einem solaren Dampferzeuger und Solarkraftwerk
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes mit wenigstens einem solaren Dampfer¬ zeuger und auf ein Solarkraftwerk.
Bei Solarkraftwerken wird die einfallende Sonnenstrahlung gebündelt und als Wärmequelle für eine Energieumwandlung ver¬ wendet. Beispiele für Solarkraftwerke sind Parabolrinnen- , Turm- und Dish-Kraftwerke.
Die Solarstrahlung wird beispielsweise von mehreren auf Ge¬ stellen angeordneten Spiegeln, den Heliostaten, auf einen ge¬ meinsamen Receiver, beispielsweise im Turm eines Turmkraft¬ werkes oder auf jeweils einem eigenen in einem Dish-Kraft- werk, näherungsweise punktförmig konzentriert. Sie erwärmt dort ein Wärmeträgermedium. Eine andere Möglichkeit der So¬ larenergienutzung besteht darin, die Solarstrahlung mittels Parabolrinnen-Kollektoren näherungsweise linienförmig auf ein Absorberrohr zu fokussieren, das dabei als Receiver dient. Wird das Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, direkt im Receiver verdampft, so spricht man von einer Direktverdamp¬ fung. Bei der Direktverdampfung wird der Receiver auch als solarer Dampferzeuger bezeichnet.
Aus dem Artikel „Solare Farmkraftwerke und Direktverdampfung in Parabolrinnen-Kollektoren" von M.Müller, Forschungsverbund Sonnenenergie: „Themen 93/94", ist bekannt, daß bei Solar¬ kraftwerken rund 70% der Kosten durch die solaren Dampferzeu¬ ger verursacht werden. Die restlichen 30% entfallen auf kon¬ ventionelle Anlagenteile. Eine Kostenreduzierung bei den so- laren Dampferzeugern würde sich entscheidend auf die Gesamt- kosten des Solarkraftwerkes niederschlagen.
Bezüglich der Konstanz der Dampfparameter werden hohe Anfor¬ derung an das Dampferzeugersystem gestellt. Zum einen besteht die Gefahr der Überhitzung im solaren Dampferzeuger. Aufgrund der hohen Temperatur können nämlich Schäden im solaren Dampf¬ erzeuger entstehen, welche zu einer verkürzten Einsatzzeit führen. Demzufolge werden erhebliche Anforderungen an die Ma¬ terialbeschaffenheit des solaren Dampferzeugers gestellt. Desweiteren muß eine geregelte Wasserzufuhr gewährleistet sein. Die Kurzlebigkeit des solaren Dampferzeugers aufgrund der hohen Temperatur des solar überhitzten Dampfes führt zu einer erheblichen Kostenbelastung für den Betrieb des Solar¬ kraftwerkes.
Aufgrund der hohen Temperatur des solar überhitzten Dampfes im solaren Dampferzeuger ergeben sich Verluste durch Tempera¬ turrückstrahlung aus dem solaren Dampferzeuger.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Gefahr der Überhitzung im solaren Dampferzeuger weitgehend zu vermeiden und die Kosten eines Solarkraftwerkes zu senken.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Solarkraftwerk mit wenig- stenε einem solaren Dampferzeuger zum Erzeugen von Naßdampf die Speisewasserzufuhr für den solaren Dampferzeuger in Ab¬ hängigkeit von der Restfeuchte (1-x) des Naßdampfes an einem Ausgang des solaren Dampferzeugers so eingestellt, daß am Ausgang des solaren Dampferzeugers ein vorgegebener Sollwert (l-x)* für die Restfeuchte (1-x) des Naßdampfes vorhanden ist .
Entsprechend enthält das Solarkraftwerk wenigstens einen so¬ laren Dampferzeuger und einen Regelkreis zum Regeln der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang des solaren Dampferzeugers.
Bei diesem Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes mit wenigstens einem solaren Dampferzeuger ist am Eingang des so- laren Dampferzeugers ein vorgegebener Sollwert (l-x)* für die Restfeuchte (l-x) des Naßdamfes am Ausgang des Dampferzeugers vorhanden. Die Existenz der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang des solaren Dampferzeugers setzt voraus, daß in¬ nerhalb des solaren Dampferzeugers Naßdampf, d. h. mit ande- ren Worten ein Gemisch von Wasser und Dampf, vorhanden ist.
Dadurch, daß das Wasser nicht vollständig verdampft wird, al¬ so noch eine Restfeuchte vorliegt, wird ein Überhitzen des solaren Dampferzeugers vermieden. Die Temperatur im solaren Dampferzeuger wird dadurch deutlich abgesenkt. Demzufolge verringern sich die Anforderung bezüglich der Temperaturbe¬ ständigkeit an die den solaren Dampferzeuger zusammensetzen¬ den Komponenten. Die übliche Absorberbeschichtung des solaren Dampferzeugers kann demzufolge in einem Temperaturbereich ar¬ beiten, der einen optimalen Wirkungsgrad für die Absorption garantiert. Strahlungsverluste aufgrund von Temperaturrück- Strahlung können weitgehend vermieden werden. Die geringere Betriebstemperatur gewährleistet eine längere Lebensdauer der einzelnen Komponenten des solaren Dampferzeugers. Dies führt zu einer erheblichen Einsparung der Kosten für das Solar- kraftwerk.
Vorzugsweise wird die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes fort¬ laufend erfaßt und als Regelgröße für die Zufuhr des Massen¬ stroms (M) des Speisewassers für den solaren Dampferzeuger verwendet. Eine Regelung ist ein Vorgang, bei dem in einem
Regelkreis die zu regelnde Größe (die „Regelgröße", in diesem Fall die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes) fortlaufend er¬ faßt, mit einer anderen Größe, der „Führungsgröße" (hier: dem
Sollwert (l-x)* für die Restfeuchte (l-x)) , verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße (l-x)* beein¬ flußt wird. Die Regelgröße (Restfeuchte) wird also der Füh¬ rungsgröße (Sollwert der Restfeuchte) nachgeführt.
Insbesondere ist eine Vorrichtung zum fortlaufenden Erfassen der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang des solaren Dampferzeugers vorgesehen. Dabei wird die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang des solaren Dampferzeugers entweder zeitkontinuierlich oder abtastend fortlaufend wiederholt er¬ faßt. Bei der zeitkontinuierlichen Regelung wird die Regel- große ununterbrochen erfaßt und mit der Führungsgröße (l-x)* verglichen. Hingegen wird bei der Abtastregelung die Regel¬ größe nur zu bestimmten Zeitpunkten, den AbtastZeitpunkten, fortlaufend wiederholt erfaßt und mit der Führungsgröße (1- x) * verglichen. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Gebereinrichtung für die Führungsgröße (l-x)* der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes vorgesehen, der die Regelgröße in einer vorgegebenen Abhän¬ gigkeit folgen soll.
Vorzugsweise ist ein steuerbares Speisewasserventil als Stel¬ leinrichtung für den Massenstrom (M) des Speisewassers für den solaren Dampferzeuger vorgesehen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh¬ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Fi¬ gur ein Ausschnitt aus einem Solarkraftwerk mit einem solaren Dampferzeuger schematisch dargestellt ist.
Gemäß der Figur umfaßt ein Solarkraftwerk 2 mindestens einen solaren Dampferzeuger 4. Bei dem Solarkraftwerk 2 handelt es sich beispielsweise um ein Parabolrinnen- , Turm- oder Dish- Kraftwerk.
Über eine Zuleitung 6 wird Speisewasser in einen Eingang 8 des solaren Dampferzeugers 4 eingspeist . Der in dem solaren Dampferzeuger 4 erzeugte Naßdampf wird über eine Ableitung 10 vom Ausgang 12 des solaren Dampferzeugers 4 beispielsweise zu einer Turbine abgeführt.
In der Zuleitung 6 ist ein Speisewasserventil 14 als Stell¬ einrichtung für den Massenstrom (M) der Speisewasserzufuhr für den solaren Dampferzeuger 4 angeordnet . In der Ableitung 10 ist eine Vorrichtung 16 zum fortlaufenden Erfassen der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang 12 des solaren Dampferzeugers 4 angeordnet. Das Speisewasserventil 14, der solare Dampferzeuger 4 und die Vorrichtung 16 zum fortlaufen¬ den Erfassen der Restfeuchte (l-x) stellen die Regelstrecke 60 des erfindungsgemäßen Regelkreises 50 dar.
Eine Gebereinrichtung 22 beaufschlagt eine Regeleinrichtung
20 über eine Signalleitung 24 mit einer Führungsgröße (l-x)* für die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes. Von der Regelein¬ richtung 20 führt eine elektrische Signalleitung 18 zu dem regelbaren Speisewasserventil 14 in der Zuleitung 6. Der Re¬ gelkreis 50 ist geschlossen durch eine elektrische Rückfüh¬ rungsleitung 25, die die Vorrichtung 16 mit einem Istwertein¬ gang der Regeleinrichtung 20 verbindet. Die Signalrichtung im Regelkreis 50 ist durch die Pfeile 26 angegeben.
Zum Betreiben des Solarkraftwerkes 2 wird die Speisewasserzu¬ fuhr für den solaren Dampferzeuger 4 über die Zuleitung 6 mit dem Speisewasserventil 14 in Abhängigkeit von der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang 12 des solaren Dampferzeugers 4 stets so eingestellt, daß am Ausgang 12 des solaren Dampf¬ erzeugers 4 der vorgegebene Sollwert (l-x)* für die Rest¬ feuchte (l-x) des Naßdampfes vorhanden ist. Dabei wird die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes mittels der Vorrichtung 16 fortlaufend erfaßt und als Regelgröße für den Massenstrom (M) der Speisewasserzufuhr für den solaren Dampferzeuger 4 ver¬ wendet .
Die Restfeuchte (l-x) als Regelgröße, wobei x den Dampfgehalt am Ausgang 12 des solaren Dampferzeugers 4 angibt, kann dabei zeitkontinuierlich mit der Führungsgröße (l-x)* verglichen werden. Wird eine Abtastregelung verwendet, so wird die Rest- feuchte (l-x) des Naßdampfes fortlaufend nur zu bestimmten Zeitpunkten, den Abtastzeitpunkten, erfaßt und mit der Füh¬ rungsgröße (l-x)* verglichen.
Es können auch mehrere solare Dampferzeuger 4 hintereinander geschaltet sein. Dann kann jeweils ein eigener Regelkreis 50 für jeden einzelnen der hintereinander geschalteten solaren Dampferzeuger 4 verwendet werden. Dadurch wird bei einer Vielzahl von solaren Dampferzeugern 4 jeder Dampferzeuger 4 individuell geregelt.
Jedem nachgegeschalteten solaren Dampferzeuger 4 wird dabei der Austrittsmassenstrom des vorgeschalteten solaren Dampfer- zeugers 4 und ein individuell geregelter Speisewasserstrom eingespeist, der so geregelt wird, daß am Ausgang des Dampf¬ erzeugers 4 der Sollwert (l-x)* für die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes vorhanden ist .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes (2) mit we¬ nigstens einem solaren Dampferzeuger (4) zum Erzeugen von Naßdampf, wobei die Speisewasserzufuhr für den solaren Dampf¬ erzeuger (4) in Abhängigkeit von der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang (12) des solaren Dampferzeugers (4) so eingestellt wird, daß am Ausgang (12) des solaren Dampferzeu¬ gers (4) ein vorgegebener Sollwert (l-x)* für die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes vorhanden ist.
2. Verfahren zum Betreiben eines Solarkraftwerkes (4) nach Anspruch 1, bei dem die Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes fortlaufend erfaßt und als Regelgröße für die Zufuhr des Mas- senstroms (M) des Speisewassers für den solaren Dampferzeuger (4) verwendet wird.
3. Solarkraftwerk (2) mit wenigstens einem solaren Dampfer¬ zeuger (4) und mit einem Regelkreis (50) zum Regeln der Rest- feuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang (12) des solaren Dampferzeugers (4) auf einen vorgegebenen Sollwert (l-x)*.
4. Solarkraftwerk (2) nach Anspruch 3 mit einer Vorrichtung (16) zum fortlaufenden Erfassen der Restfeuchte (l-x) des Naßdampfes am Ausgang (12) des solaren Dampferzeugers (4) .
5. Solarkraftwerk (2) nach Anspruch 3 oder 4 mit einer Ge¬ bereinrichtung (22) für den vorgegebenen Sollwert (l-x)*.
6. Solarkraftwerk (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 mit einem Speisewasserventil ( 14) als Stelleinrichtung für den Massenstrom (M) des dem solaren Dampferzeuger (4) zugeführten Speisewassers.
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